磁驱光子链人工纤毛阵列的货物输运与原位传感性能开题报告

全文总字数：6963字

1. 研究目的与意义（文献综述）

纤毛是一种突出于细胞表面的柔性毛发状细胞器，按其结构功能可分为运动纤毛和初级纤毛。多微生物都是利用纤毛来实现自身在液体环境中的高效推进以及调节个体发育和内稳态平衡。受到自然界的启发，科学家们利用纤毛尺寸小和群体效应的特点，制备出了一系列可驱动的纤毛阵列，并能够很好的应用于微流道中的流体混合、加速微区化学反应和粒子的定向运输等方面。

人造纤毛阵列按照驱动方式可以将这类人造纤毛阵列分为电场驱动型、光驱动型、共振驱动型、化学物质驱动型和磁场驱动型。其中，磁场驱动型人造纤毛相比于其他类型纤毛具有磁场具有可远程操控、快速响应、生物相容性较好等优点。通过控制磁场的大小和频率或施加方式，可以设计各种磁性纤毛在设定的范围内以既定的形式运动，或振动或转动甚至是更加复杂的模式。

wang等人采用磁性纤维拉丝技术制备了一种固化在上玻璃基板的表面包覆pdms的铁纤维阵列。当施加外部磁场时，铁纤维阵列可在一闭环微流体管道中产生充分的液体流动，其净流速高达70μm/s（对应的体积流量约为0.6 μl/min，压差约0.04 pa）。表面包覆pdms的fe纤维阵列制备的具体流程见图1-6。这种人造纤毛的直径、长度和密度都是可控的，通过改变pdms前驱体聚合物中掺杂的微米级羰基铁粉浓度，能够调节所得人造纤毛的直径，浓度越高，直径越大。通过控制拉丝的时间，可以改变基板上纤毛的密度，时间越长，密度越大。然后调节前驱层的厚度，还能获得一定长度的纤毛。只要合理调控以上参数，便有可能实现微流道应用中流体流动的最大化。为了测试不同粘性环境下铁纤维阵列的抽运性能，实验选择在水（η=1mpa·s）和87%的甘油溶液（η=100 mpa·s）中分别对其进行驱动，发现该人造纤毛在水中产生的最大流速为70 μm/s，对应的驱动频率为45 hz，而在87%的甘油溶液中的最大流速为5 μm/s，对应的驱动频率为10 hz。并且推出驱动频率和流速存在这样的一种关系：驱动频率较低时，纤毛产生的流速随着频率的增高而增大，但当流速达到其最大值后便会随着频率的增大而减小。然后通过比较高速摄像机捕捉的不同驱动频率下的纤毛运动图像，发现纤毛运动振幅也会随着驱动频率的增大而减小，这是因为驱动频率的增大造成了驱动磁场和纤毛间更高的相位滞后。然而，磁场驱动型人造纤毛目前为止存在制备耗时长、制备过程繁琐的问题，并且制备的人造纤毛宏观图案不可控，不利于人造纤毛的大规模、图案化操作与生产；同时，现有的磁场驱动型人造纤毛仅利用纤毛的旋转特性实现传质目的，功能单一，不符合新型材料功能复合化的要求。

2. 研究的基本内容与方案

（一）研究目标

（1）探究流体的流速、平移台的移动速度、磁性fe3o4粒子浓度以及玻璃基板的亲疏水性等对“打印法”制备fe3o4@p(aa-co-hema)光子链阵列的影响。通过打印法快速制备出任意图案的、线宽一致的光子链阵列。

（2）通过外加旋转磁场使一维光子链旋转，进而实现对其上方流体运动的精确控制，并达到定向运输微纳米货物的目的。

3. 研究计划与安排

项目研究的进度安排及阶段目标

4. 参考文献（12篇以上）

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[2] chen, x.-z.; jang, b.;ahmed, d.; hu, c.; de marco, c.; hoop, m.; mushtaq, f.; nelson, b. j.; pané, s.,small-scale machines driven by external power sources. adv.mater. 2018, 1705061.

[3] xu, l.; mou, f.; gong,h.; luo, m.; guan, j., light-driven micro/nanomotors: from fundamentals toapplications. chem. soc. rev. 2017, 46,6905-6926.